Forscher der Universität Bonn und der Universität Montreal haben einen neuartigen Katalysator entwickelt und in ihrer Studie eingesetzt, um hocheffizient mit Strom Methan aus Kohlendioxid und Wasser herzustellen. Methan kann beispielsweise zum Heizen von Wohnungen oder als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie eingesetzt werden. Es ist auch der Hauptbestandteil von Erdgas.
Wird es jedoch mit Ökostrom produziert, ist es weitgehend klimaneutral. Die Erkenntnisse aus dem von den Forschern untersuchten Modellsystem lassen sich auf großtechnische Katalysatoren übertragen. Das System könnte auch zur Herstellung anderer wichtiger chemischer Verbindungen genutzt werden. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturchemie.
Viele chemische Reaktionen erfordern zum Starten Energie, und diese Energie kann beispielsweise durch Erhitzen der Reaktionspartner oder durch Aussetzen eines hohen Drucks hinzugefügt werden. „Stattdessen haben wir Strom als Antriebskraft genutzt“, erklärt Prof. Dr. Nikolay Kornienko. „Durch die Nutzung von klimafreundlichem Strom können wir beispielsweise Methan produzieren, das nicht zur globalen Erwärmung beiträgt.“
Der Forscher wechselte kürzlich von der Universität Montreal an das Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn. Sein letztes Studium begann er noch in Kanada und schloss es in seiner neuen Heimat ab. „Die Herstellung von Methan – das die chemische Formel CH4 hat – ist eine Herausforderung, weil es notwendig ist, eine Reaktion zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit durchzuführen“, sagt Kornienko.
In diesem Fall sprechen wir von Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Um diese beiden Partner zusammenzubringen, nutzten die Forscher eine Gasdiffusionselektrode. Bei der Reaktion ist es notwendig, die beiden Sauerstoffatome vom Kohlenstoffatom zu trennen und durch vier Wasserstoffatome zu ersetzen. Der Wasserstoff wird aus dem Wasser gewonnen.
Nebenreaktionen verhindern
Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass Wasser viel lieber eine weitere Reaktion eingehen würde und sich in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, sobald es elektrischem Strom ausgesetzt wird. „Das ist eine Konkurrenzreaktion, die wir vermeiden müssen“, betont Kornienkos Assistent Morgan McKee, der einen Großteil der Experimente durchgeführt hat.
„Sonst würden wir kein Methan mehr produzieren. Deshalb müssen wir verhindern, dass das Wasser mit der Elektrode in Kontakt kommt. Gleichzeitig brauchen wir das Wasser weiterhin als Reaktionspartner.“
Hier kommt der neu entwickelte Katalysator ins Spiel, der auf der Elektrode abgeschieden wird. Es sorgt vor allem dafür, dass das Kohlendioxid leichter und schneller zu Methan reagiert. Dies gelingt ihm durch sein sogenanntes „aktives Zentrum“, das das Kohlendioxid festhält und – vereinfacht ausgedrückt – auch die Bindungen zwischen dem Kohlenstoffatom und den beiden Sauerstoffatomen schwächt.
Diese Sauerstoffatome werden dann im nächsten Schritt nach und nach durch vier Wasserstoffatome ersetzt. In dieser Phase des Prozesses benötigt der Katalysator Wasser. Es muss jedoch auch Abstand gehalten werden, um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. „Um dies zu erreichen, haben wir lange molekulare Seitenketten an das aktive Zentrum gebunden“, erklärt Prof. Kornienko, der auch Mitglied des Transdisziplinären Forschungsbereichs „Materie“ an der Universität Bonn ist. „Ihre chemische Struktur ist wasserabweisend, also hydrophob.“
Wasserscheue Molekülketten
Die Seitenketten halten nicht nur die H2O-Moleküle vom aktiven Zentrum und der Elektrode fern, sondern fungieren auch als eine Art Förderband.
Im übertragenen Sinne entreißen sie den Wassermolekülen Wasserstoffatome und transportieren sie zum aktiven Zentrum, wo sie mit dem Kohlenstoffatom reagieren. Auf diese Weise wird das CO2 in mehreren Schritten in CH4 umgewandelt.
Dieser Prozess hat einen Wirkungsgrad von über 80 % und die Reaktion erzeugt dadurch kaum unerwünschte Nebenprodukte. Dennoch ist der Katalysator für die großtechnische Produktion von Methan nicht wirklich geeignet. „Die Reaktionsprinzipien, die wir mit diesem Katalysator erreicht haben, könnten jedoch auch in anderen Katalysatormaterialien für den Einsatz in großtechnischen Anwendungen umgesetzt werden“, sagt Kornienko.
Der Forscher glaubt, dass die Methanproduktion nicht das einzige Anwendungsgebiet dieser Methode ist. Seiner Meinung nach könnte es sich bei der Herstellung anderer chemischer Verbindungen wie Ethylen, das als Ausgangsstoff für viele Kunststoffe dient, als lukrativer erweisen.
Mittelfristig könnte das neue Katalysatorverfahren somit wo möglich eingesetzt werden, um die Kunststoffproduktion umweltfreundlicher zu gestalten.
Weitere Informationen:
Morgan McKee et. al. Die hydrophobe Molekülanordnung an der Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche treibt die hochselektive CO2-Elektromethanierung voran. Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01650-6